兆瓦级风电机组主轴轴承选型及分析

　　摘要：随着风电产业的发展，市场上供应的风电机组的功率等级基本上是兆瓦级，而且功率呈现增长趋势。介绍了兆瓦级风电机组3点支承和2点支承的主轴轴承设计，其中2点支承的主轴轴承方案包括7种结构形式，对各种结构形式进行了介绍，并对其优缺点进行了分析，为兆瓦级风电机组主轴轴承设计选型提供了参考。

　　风电机组主轴轴承是风电机组的核心部件，由于其所使用的环境恶劣(腐蚀、风沙、潮湿和低温)、受载情况复杂以及安装维护不便，所以应对主轴轴承的设计和选型进行充分的分析和论证，确保其在20年寿命内能安全可靠地运行。沈德昌等指出，轴承是风电机组中的薄弱环节，也是风电机组的主要故障点之一。很多实际经验告诉我们，设计初期方案的确定和选型会对轴承的故障产生巨大的影响。

　　目前，用于兆瓦级风电机组的主轴轴承的形式主要有3点支承的轴承设计和2点支承的轴承设计，其中3点支承的轴承方案主要是球面滚子轴承与2个圆柱滚子轴承的组合，而2点支承的轴承方案又分为球面滚子轴承与调心滚子轴承组合、球面滚子轴承与圆柱滚子轴承组合、双列圆锥滚子轴承与圆柱滚子轴承组合、2个单列圆锥滚子轴承组合(又分长轴和短轴这2种设计方案)、面对面的双列圆锥滚子单轴承以及集成设计。

　　3点支承的轴承结构一般为在风轮侧设计为独立轴承室，轴承室内安装1个球面滚子轴承，主轴与齿轮箱采用胀紧套连接，2个圆柱滚子轴承安装在齿轮箱内，而齿轮箱采用扭力臂进行支承，其结构如图1所示。

　　这种轴承结构的优点是轴承本身的设计和制造的难度小，可以承受齿轮箱所要求的较大偏转角。其缺点如下：

　　2)主轴承上没有预紧力，加载后轴向位移相对较大，同时由于没有预紧力，单个滚子可能存在不转动的情况，从而导致滑动，这样会产生非常大的尖峰载荷，影响轴承的寿命;

　　球面滚子轴承+调心滚子轴承的结构形式一般为主轴被2个轴承支承，靠近风轮侧的主轴承为球面滚子轴承，而靠近齿轮箱侧的主轴承为调心滚子轴承，齿轮箱和主轴之间的连接采用胀紧套或螺栓联接，其结构如图2所示。

　　这种轴承结构的优点是没有或较少的载荷作用在齿轮箱上，同时依靠扭力臂来承受较小的变形，并且装配比较简单。其缺点如下：

　　2)主轴承上没有预紧力，受载后轴向位移相对较大，同时由于没有预紧力，单个滚子可能存在不转动的情况，从而导致滑动，这样会产生非常大的尖峰载荷，影响轴承的寿命;

　　球面滚子轴承+圆柱滚子轴承的结构形式一般为主轴被2个轴承支承，靠近风轮侧的主轴承为球面滚子轴承，而靠近齿轮箱侧的主轴承为圆柱滚子轴承，2个主轴轴承共用1个轴承室，齿轮箱和主轴之间的连接采用胀紧套或螺栓联接，其结构如图3所示。

　　这种轴承结构的优点是没有或较少的载荷作用在齿轮箱上，同时依靠扭力臂来承受较小的变形，并且装配比较简单。其缺点如下：

　　2)主轴承上没有预紧力，受载后轴向位移相对较大，同时由于没有预紧力，单个滚子可能存在不转动的情况，从而导致滑动，这样会产生非常大的尖峰载荷，影响轴承的寿命;

　　4)由于圆柱滚子轴承对内外圈的同轴度和相对偏斜较敏感，在设计或者装配不良的情况下，球面滚子轴承的径向游隙将导致圆柱滚子的损坏;

　　双列圆锥滚子轴承+圆柱滚子轴承的结构形式一般为主轴被2个轴承支承，通常靠近风轮侧的主轴承为双列圆锥滚子轴承，而靠近齿轮箱侧的主轴承为圆柱滚子轴承，2个主轴轴承共用1个轴承室，齿轮箱和主轴之间的连接采用胀紧套或螺栓联接，其结构如图4所示。

　　1)圆柱滚子轴承由于没有预紧力，单个滚子可能存在不转动的现象，从而导致滑动，这样会产生非常大的尖峰载荷，影响轴承的寿命，对于3MW以上的机组所用的圆柱滚子轴承，滚子质量和惯性力大，圆柱滚子轴承由于没有预紧力，可能会导致滚子打滑损坏，出现微点蚀的可能性较大;

　　2个小直径的单列圆锥滚子轴承的结构形式一般为主轴被2个圆锥滚子轴承支承，2个主轴轴承共用1个轴承室，主轴一般为直径较小且长度较长的结构，齿轮箱和主轴之间的连接采用胀紧套或螺栓联接，其结构如图5所示。

　　5)由于2个轴承一般处于预紧状态，因此轴系的整体刚度相对较大，在较大的动态载荷作用下，轴系的结构变形相对较小，能够承受较大的动态载荷。

　　2个大直径的单列圆锥滚子轴承的结构形式一般为主轴被2个大直径的圆锥滚子轴承支承，2个主轴轴承共用1个轴承室，主轴一般为直径较大且长度较短的结构，齿轮箱和主轴之间的连接采用胀紧套或螺栓联接，其结构如图6所示。

　　5)由于该种配置一般选用较小的滚子接触角小，因此动轴和定轴之间的温差、温度变化以及装配误差等问题对轴系的预紧影响相对较小，轴承寿命受环境和装配误差影响较小;

　　2)轴承对温度的变化比较敏感，但对于主轴轴承，由于转速比较低，温度变化比较小，所以影响也比较小;

　　单轴承的结构形式一般为主轴被1个大直径的圆锥滚子轴承支承，主轴一般为直径大且比较短的结构，齿轮箱和主轴之间的连接采用胀紧套或螺栓联接，其结构如图7所示。

　　1)随着功率等级的增加，轴承的直径会越来越大，例如6 MW容量等级的机组单轴承的轴承外径达到3.6m，很少有轴承厂家能够加工制造，因此价格比较高;

　　2)由于轴承直径较大，因此轴承密封设计较困难，常规设计不能达到较好密封效果，轴承密封成本较高;

　　4)滚子类似于圆柱，预紧力较小时会存在扭转的情况，导致所有的载荷作用在1个转子单元上，从而导致其损坏。

　　集成设计的结构形式为主轴被2个单列圆锥滚子轴承承撑，2个轴承共用1个轴承室，齿轮箱和主轴之间采用过盈配合或花键联接，轴承室与齿轮箱的箱体通过螺栓联接在一起，也就是说主轴系与齿轮箱集成在一起，其结构如图8所示。

　　5)因为齿轮箱与主轴系集成为一体，所以主轴承可采用油润滑，降低主轴润滑的污染情况，改善轴承的润滑，对轴承的寿命有利。

　　3)轴承对温度的变化比较敏感，但对于主轴轴承，由于转速比较低，温度变化比较小，所以影响也比较小。

　　叁上述详细列举了兆瓦级风电机组主轴承的几种主要布置形式及轴承的选型配置，并分析了其优缺点，为兆瓦级风电机组主轴轴承的设计选型提供了参考。

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